一种联合功率控制和接入控制方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种联合功率控制和接入控制方法。本发明专利技术基于斯坦克尔伯格博弈模型，将家庭基站作为领导者，宏用户作为从属者，家庭基站进行发射功率的决策后，宏用户即会相应地做出接入选择的决策。以最大化系统容量为目标，领导层和从属层之间进行博弈，最终达到均衡状态，确定家庭基站的发射功率策略及宏用户的接入策略。该方法针对家庭基站网络中一般功率控制的博弈方法在减小宏用户受到的干扰方面的不足，提出了联合功率控制和接入控制的博弈方法，让宏用户在提高系统整体性能方面发挥更积极的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种联合功率控制和接入控制方法
本专利技术涉及一种联合功率控制和接入控制方法，具体涉及一种家庭基站网络中资源分配的方案中，家庭基站的发射功率控制和宏用户的接入控制的方法，属于通信

技术介绍
未来将有超过50%的语音业务和超过70%的数据业务都将发生在室内，因此提供高质量的室内语音和数据业务很必要。而随着无线通信的发展，网络中更多地采用较高的频段部署无线覆盖。由电磁学理论可知，频率越高无线电波的穿透能力越差，因此，高频信号穿墙后的衰减较大，导致室内覆盖质量相对较差。如果采用部署宏基站的传统方式来增强室内覆盖，一方面覆盖效果有限，且面临基站选址等难题；另一方面，采用宏基站增强室内覆盖的成本较高，不利于大规模部署。家庭基站可以同时解决上述两个问题，有效提升室内无线信号质量。家庭基站覆盖范围小、发射功率低，作为宏基站的有效补充，可以改善局部区域覆盖不足、容量和频谱资源利用受限的问题。家庭基站技术是一种应用在室内环境或者其他小范围覆盖环境下的基站设备，可以避免穿透建筑物带来的衰减，支持2G、2.5G、3G乃至4G产品，与室外宏基站相匹配，采用相同的无线通信系统设置，支持室内室外基站切换。家庭基站通过数字用户线路（DSL）或光纤带宽连接到因特网，然后因特网再连接到电信运行商的网络。然而，随着家庭基站部署的更密集，宏基站和家庭基站之间存在的跨层干扰以及相邻家庭基站之间的共层干扰成为亟需解决的问题。因此，家庭基站双层网络中的干扰管理成为新的挑战。近年来，很多研究从合理管理无线资源的角度来减小干扰。在宏蜂窝和家庭基站共存的场景下，结合使用有效的无线资源分配算法，可以大大提高系统性能。博弈论方法被广泛用于家庭基站中的资源管理。因为博弈论是一种通过建立数学模型，来帮助决策者分析和选择决策的有效工具，而家庭基站中的资源管理主要涉及到资源在双层网络中如何分配，功率、频谱等资源的分配过程就是一种决策。虽然很多方法基于博弈论进行功率控制，在一定程度上提高了系统吞吐量。但对于一些离宏基站较远而在家庭基站附近的宏用户，只进行功率控制仍不能保证此宏用户的性能，且会影响到家庭用户的性能。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于博弈论的联合功率控制和接入控制方法，该方法能够解决宏基站和家庭基站之间存在的跨层干扰及相邻家庭基站之间的共层干扰问题，即使对于一些离宏基站较远而在家庭基站附近的宏用户，该方法也能保证此宏用户的性能，且家庭用户的性能也不会受到很大影响。本专利技术基于斯坦克尔伯格博弈模型，家庭基站是领导者，宏用户是从属者。一方面，家庭基站进行功率控制；另一方面，宏用户根据自身在网络中所处的地理位置及不同基站的发射功率信息，选择能使其吞吐量最优的基站来接入。通过联合功率控制和接入控制，可以优化系统吞吐量，尤其是很大程度上提高宏用户的吞吐量，减小宏用户受到的干扰。技术方案：本专利技术通过博弈论方法建立模型，应用于家庭基站双层网络中的资源分配。该专利技术建立了一种家庭基站和宏用户联合优化系统性能的斯坦克尔伯格博弈模型，家庭基站作为领导者，先进行功率决策；宏用户作为从属者，根据家庭基站的发射功率信息，随后来进行接入选择决策，并将结果反馈给家庭基站。具体的方法为：1）初始化系统参数：各个基站中用户数目的集合初始值为User_Collect＝[M,T,…,T]，给定宏基站的发射功率为P0，家庭基站初始发射功率{Pj}(0)，j＝{1,2,…N}，其中M为宏小区内随机分布的宏用户数目，N为该宏小区内家庭基站的数目，T为每个家庭基站中家庭用户的数目；2）从属层的决策过程可建模为接入控制子博弈：在已知领导层（家庭基站）初始功率{Pj}(0)的条件下，从属层（宏用户）通过多轮博弈找出最大化效用UMUEi(Si)的接入均衡策略每一轮博弈过程是各个宏用户通过穷举有限种可能的策略来确定这一轮的最优策略；构建从属层效用函数UMUEi(Si)的具体表达式为：式中，策略Si表示宏用户i接入第Si个基站，i＝{1,2,…,M}，B_total是每个基站的总带宽，带宽平均分配给基站中的所有用户，是第Si个基站的用户数目，是指基站Si到宏用户i的信干噪比，是第Si个基站的发射功率，Pk是其他基站的发射功率，是第Si个基站到宏用户i的信道增益，hk,i是其他基站到用户i的信道增益；3）领导层的决策过程可建模为功率控制子博弈:根据从属层（宏用户）反馈的信息更新User_Collect，领导层（各家庭基站）再依据此反馈，博弈得出最新调整的发射功率首先构建从属层效用函数UFAPj(Pj)的具体表达式为：式中，策略Pj表示第j个家庭基站的发射功率，Nj是第j个基站的用户数目，是第j个家庭基站中第n个家庭用户的信干噪比（无论n为何值，都可令为其中，hj,j是家庭基站j到其用户的信道增益，h0,j是宏基站到家庭基站j的用户的信道增益，hk,j是其他家庭基站与家庭基站j的用户之间的信道增益），w是代价项的权重因子，hj,m是第j个家庭基站到其余非此基站的用户的信道增益，Lm是用户m所接入的基站包含的的用户数目，共有Q个基站（即Q＝N+1），第i个基站有Ni个用户；效用的第一项表示家庭基站j的总容量，第二项表示对其他基站中各个用户的干扰之和；然后对系统中每个家庭基站的发射功率进行迭代调整，将效用最大时的功率策略作为最终领导层的功率决策，具体步骤如下：a）对每个家庭基站的发射功率策略进行初始化：令初始时刻n＝0，每个家庭基站在初始时刻的发射功率策略为b）根据下式分别计算下一时刻每个家庭基站的发射功率策略，然后令n＝n+1：c）判断是否系统中所有家庭基站均满足以下条件：每个家庭基站的功率策略都满足条件其中ε为功率策略允许的误差范围；如是，则进入步骤d），否则返回步骤b）；d）将最后更新得到的每个家庭基站的发射功率策略，作为领导层在目前网络状态下的最优功率策略4）宏用户继续响应于家庭基站的功率决策做出接入选择的决策5）重复步骤3）、4），根据反馈信息家庭基站调整功率策略为然后宏用户做出响应，得到接入策略领导层和从属层进行斯坦克尔伯格博弈，直至最后得到稳定的解,功率策略和接入策略都不再变化，即为斯坦克尔伯格博弈的均衡值。本专利技术将博弈论原理应用到家庭基站网络的功率控制和接入控制中，家庭基站作为领导者，宏用户作为从属者，领导层和从属层之间的策略相互影响，在不断的调整迭代中用户最终确定发射功率决策和接入决策。这样联合进行功率控制和接入控制，可以更好地优化系统性能。且功率控制的过程中也加入了对用户和基站相对位置关系的考虑，更精确地控制家庭基站的发射功率。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.在功率控制子博弈的效用中，代价函数考虑到家庭基站的发射功率对不同位置及不同基站的用户影响度是不同的，更准确地对功率进行控制。2.对宏用户进行接入控制，宏用户可以更加积极地参与到系统的优化中，从而减小跨层干扰。3.宏基站和家庭基站共同优化系统吞吐量，构建斯坦克尔伯格博弈来联合进行接入控制和功率控制。本专利技术考虑联合功率控制和接入控制，除了对家庭基站的发射功率进行控制外，还对宏用户进行接入控制，宏用户选择使自身吞吐量最优的基站来接入。本专利技术将博弈论原理应用到家庭基站和宏基站构成的双层网络中，基于斯坦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种联合功率控制和接入控制方法，基于有宏小区和家庭小区组成的系统架构，其特征包括以下步骤：步骤1：初始化系统参数：设定各个基站中用户数目的集合初始值，给定宏基站的发射功率，家庭基站初始发射功率；步骤2：从属层的决策过程可建模为接入控制子博弈：在已知领导层（家庭基站）初始功率的条件下，从属层（宏用户）通过多轮博弈找出最大化效用的接入均衡策略，每一轮博弈过程是各个宏用户通过穷举有限种可能的策略来确定这一轮的最优策略；步骤3：领导层的决策过程可建模为功率控制子博弈:根据从属层（宏用户）反馈的信息更新各个基站中用户数目的集合，领导层（各家庭基站）再依据此反馈，博弈得出最新调整的发射功率；步骤4：宏用户继续响应于家庭基站的功率决策，做出接入选择的决策；步骤5：重复步骤3、步骤4，根据反馈信息，家庭基站调整功率策略，然后宏用户做出响应，得到接入策略，领导层和从属层进行斯坦克尔伯格博弈，直至最后得到稳定的解,功率策略和接入策略都不再变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于博弈论的联合功率控制和接入控制方法，其特征在于该方法建立了一种家庭基站和宏用户联合优化系统性能的斯坦克尔伯格博弈模型，家庭基站作为领导者，先进行功率决策；宏用户作为从属者，根据家庭基站的发射功率信息，随后来进行接入选择决策，并将结果反馈给家庭基站，该方法的具体步骤如下：1)初始化系统参数：各个基站中用户数目的集合初始值为User_Collect＝[M,T,…,T]，给定宏基站的发射功率为P0，家庭基站初始发射功率{Pj}(0)，j＝{1,2,…N}，其中M为宏小区内随机分布的宏用户数目，N为该宏小区内家庭基站的数目，T为每个家庭基站中家庭用户的数目；2)从属层的决策过程可建模为接入控制子博弈：在已知领导层即家庭基站初始功率{Pj}(0)的条件下，从属层即宏用户通过多轮博弈找出最大化效用UMUEi(Si)的接入均衡策略{Si*}(0)，每一轮博弈过程是各个宏用户通过穷举有限种可能的策略来确定这一轮的最优策略；构建从属层效用函数UMUEi(Si)的具体表达式为：式中，策略Si表示宏用户i接入第Si个基站，i＝{1,2,…,M}，B_total是每个基站的总带宽，带宽平均分配给基站中的所有用户，是第Si个基站的用户数目，是指基站Si到宏用户i的信干噪比，是第Si个基站的发射功率，Pk是其他基站的发射功率，是第Si个基站到宏用户i的信道增益，hk,i是其他基站到用户i的信道增益；3)领导层的决策过程可建模为功率控制子博弈:根据从属层即宏用户反馈的{Si*}(0)信息更新User_Collect，领导层即各家庭基站再依据此反馈，博弈得出最新调整的发射功率{Pj*}(1)；首先构建领导层效用函数UFAPj(Pj)的具体表...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琦，程艳丽，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32